立体热源制造技术

本发明专利技术旨在提供一寿命长且电热转换效率高的立体热源。该立体热源包括一加热元件及至少两个电极。该加热元件包括基体及多个碳纳米管分布于该基体中。该至少两个电极间隔设置且分别与该加热元件电连接。所述加热元件构成一个中空的三维结构，该加热元件中的多个碳纳米管组成至少一自支撑的碳纳米管结构。该立体热源可以用于制造工厂管道、实验室加热炉或厨具电烤箱等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种立体热源，尤其涉及一种基于碳纳米管的立体热源。
技术介绍
热源在人们的生产、生活、科研中起着重要的作用。立体热源是热源的一种，其特 点为立体热源具有一立体结构，从而可将待加热物体设置于其内部进行加热。由于立体热 源可对待加热物体的各个部位同时加热，因此，立体热源具有加热面广、加热均勻且效率较 高等优点。立体热源已成功用于工业领域、科研领域或生活领域等，如工厂管道、实验室加 热炉或厨具电烤箱等。立体热源的基本结构通常包括一加热元件。现有的立体热源的加热元件通常采用 金属丝，如铬镍合金丝、铜丝、钼丝或钨丝等通过铺设或缠绕的方式形成。然而，采用金属丝 作为加热元件具有以下缺点其一，金属丝表面容易被氧化，导致局部电阻增加，从而被烧 断，因此使用寿命短；其二，金属丝为灰体辐射，因此，热辐射效率低，辐射距离短，且辐射不 均勻；其三，金属丝密度较大，重量大，使用不便。为解决金属丝作为加热元件存在的问题，碳纤维因为其具有良好的黑体辐射性 能，密度小等优点成为加热元件材料研究的热点。碳纤维作为加热元件时，通常以碳纤维纸 的形式存在。所述碳纤维纸包括纸基材和杂乱分布于该纸基材中的浙青基碳纤维。其中， 纸基材包括纤维素纤维和树脂等的混合物，浙青基碳纤维的直径为3 6毫米，长度为5 20微米。然而，采用碳纤维纸作为加热元件具有以下缺点其一，由于该碳纤维纸中的浙青 基碳纤维杂乱分布，所以该碳纤维纸的强度较小，柔性较差，容易破裂，同样具有寿命较短 的缺点；其二，碳纤维纸的电热转换效率较低，不利于节能环保。自九十年代初以来，以碳纳米管(请参见Helical microtubules of graphiticcarbon, Nature, Sumio Iijima, vol 354，p56 (1991))为代表的纳米材料以其独 特的结构和性质引起了人们极大的关注。近几年来，随着碳纳米管及纳米材料研究的不断 深入，其广阔的应用前景不断显现出来。范守善等人于2006年6月16日申请的，于2007 年12月19日公开的一篇公开号为CN101090586A的中国公开专利申请中公开了一种纳米 柔性电热材料。该电热材料包括一柔性基体及分散在所述柔性基体中的多个碳纳米管。该 多个碳纳米管以粉末态存在，彼此间结合力很弱，无法形成一具有特定形状的自支撑结构。 将该粉末态的碳纳米管与聚合物溶液混合时，该粉末态的碳纳米管极易团聚，从而导致碳 纳米管在基体中分散不均勻。为了避免碳纳米管在聚合物溶液中分散时的团聚现象，一方 面，在分散的过程中需要通过超声波振荡处理该碳纳米管与聚合物溶液的混合物，另一方 面，该电热材料中碳纳米管的质量百分含量不能太高，仅为0. 1 4%。而且，碳纳米管在经过上述分散处理之后，即使碳纳米管彼此间能够相互接触，其 结合力也较弱，无法形成一自支撑的碳纳米管结构。由于碳纳米管含量少，热电材料的热 响应速度不够快，电热转换效率不够高，故该电热材料的发热温度不够高，限制了其应用范 围。另外，为了使碳纳米管在液相中分散，制备电热材料时，其柔性基体只能选择聚合物材3料，聚合物材料耐热温度较低，此种采用在液相中分散碳纳米管形成电热材料的方法限制 了基体材料的选择。
技术实现思路
有鉴于此，确有必要提供一种电热转换效率高，且发热温度范围较宽的立体热源。一种立体热源包括一加热元件及至少两个电极。该加热元件包括基体及多个碳纳 米管分布于该基体中。该至少两个电极间隔设置且分别与该加热元件电连接。所述加热元 件构成一个中空的三维结构，该加热元件中的多个碳纳米管组成至少一自支撑的碳纳米管 结构。一种立体热源包括一加热元件及至少两个电极。该加热元件包括一碳纳米管复合 结构。该至少两个电极与该加热元件电连接。该加热元件构成一个中空的三维结构，所述 碳纳米管复合结构包括至少一自支撑的碳纳米管结构以及与该至少一自支撑的碳纳米管 结构复合的基体。一种立体热源包括一中空的三维支撑结构，一加热元件与至少两个电极。该加热 元件设置于该中空的三维支撑结构的表面。该至少两个电极与该加热元件电连接。所述加 热元件包括至少一碳纳米管结构及与该至少一碳纳米管结构复合的基体。与现有技术相比较，所述的立体热源具有以下优点由于该碳纳米管结构为一自 支撑结构，该自支撑的碳纳米管结构与基体直接复合，可使复合后形成的加热元件中碳纳 米管仍相互结合保持一碳纳米管结构的形态，从而使加热元件中碳纳米管既能均勻分布形 成导电网络，又不受碳纳米管在加工过程中所使用的溶液的分散浓度的限制，进而使碳纳 米管在加热元件中的质量百分含量可以达到99%，使该热源具有较高的电热转换效率，且 发热温度范围较宽。附图说明图1为本专利技术第一实施例所提供的立体热源的结构示意图。图2为图1沿II-II线的剖面示意图。图3为本专利技术第一实施例的立体热源包括层状碳纳米管复合结构设置于中空的 三维支撑结构表面的示意图，其中基体材料渗透于碳纳米管结构中。图4为本专利技术第一实施例的立体热源包括层状碳纳米管复合结构设置于中空的 三维支撑结构表面的示意图，其中碳纳米管结构复合于基体材料中。图5为本专利技术第一实施例的立体热源包括单个线状碳纳米管复合结构设置于中 空的三维支撑结构表面的示意图。图6为本专利技术第一实施例的立体热源包括多个线状碳纳米管复合结构设置于线 状支撑结构表面的示意图。图7为本专利技术第一实施例的立体热源所使用的一种碳纳米管拉膜的扫描电镜照 片。图8为本专利技术第一实施例的立体热源所使用的碳纳米管拉膜的结构示意图。图9为本专利技术第一实施例的立体热源所使用的一种碳纳米管絮化膜的扫描电镜 照片。图10为本专利技术第一实施例的立体热源所采用的另一种包括沿同一方向择优取向 排列的碳纳米管的碳纳米管碾压膜的扫描电镜照片。图11为本专利技术第一实施例的立体热源所使用的一种包括沿不同方向择优取向排 列的碳纳米管的碳纳米管碾压膜的扫描电镜照片。图12为本专利技术第一实施例的立体热源所使用的一种非扭转的碳纳米管线的扫描 电镜照片。图13为本专利技术第一实施例的立体热源所使用的一种扭转的碳纳米管线的扫描电 镜照片。图14为本专利技术第一实施例的立体热源所使用的一种碳纳米管拉膜与环氧树脂复 合形成的加热元件的截面扫描电镜照片。图15是图1中的立体热源的制备方法的流程图。图16是本专利技术第二实施例的立体热源的结构示意图。图17是沿图16中XVII-XVII线的剖视图。图18是沿图16中XVIII-XVIII线的剖视图。图19是本专利技术第三实施例的立体热源的结构示意图。图20是沿图19中XX-XX线的剖视图。具体实施例以下将结合附图详细说明本专利技术的立体热源及其制备方法。请参阅图1及图2，为本专利技术第一实施例提供一种立体热源100。该立体热源100 包括一中空的三维支撑结构102，一加热元件104，一第一电极110及一第二电极112。该加 热元件104设置于该中空的三维支撑结构102的表面。该第一电极110和第二电极112分 别与加热元件104电连接，用于使所述加热元件104接通电源从而流过电流。所述中空的三维支撑结构102用于支撑加热元件104，使加热元件104形成一立 体结构，该立体结构定义一空间，使加热元件104可从多个方向向该空间内加热，从而提升 加热元件10本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种立体热源，其包括：一个加热元件，该加热元件为一碳纳米管复合结构，其包括一基体及多个分布于该基体中的碳纳米管；以及至少两个电极间隔设置并与所述加热元件电连接，其特征在于，所述的加热元件构成一个中空的三维结构，所述的加热元件中的多个碳纳米管相互缠绕组成至少一自支撑的碳纳米管结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王佳平，刘长洪，姜开利，范守善，
申请(专利权)人：清华大学，鸿富锦精密工业深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]